金属矿绿色开采评价方法探讨

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.132

金属矿绿色开采评价方法探讨

赵国彦^,¹, 邱菊¹, 赵源¹, 裴佃飞², 李洋¹, 吴攀¹

1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

2.山东黄金集团有限公司，山东济南 250014

Discussion on Evaluation Method of Green Mining in Metal Mines

ZHAO Guoyan^,¹, QIU Ju¹, ZHAO Yuan¹, PEI Dianfei², LI Yang¹, WU Pan¹

1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

2.Shandong Gold Group Co. ，Ltd，Jinan 250014，Shandong，China

收稿日期: 2019-07-15 修回日期: 2019-11-28 网络出版日期: 2020-05-07

基金资助:

国家重点研发计划项目“深部金属矿绿色开采技术集成与示范”. 2018YFC0604606

Received: 2019-07-15 Revised: 2019-11-28 Online: 2020-05-07

作者简介 About authors

赵国彦（1963-），男，湖南沅江人，教授，博士生导师，从事采矿与岩石力学研究工作gy.zhao@263.net , E-mail：gy.zhao@263.net

摘要

绿色开采是实现矿山可持续发展的重要措施，如何科学有效地评价金属矿绿色开采的水平，是当前需要解决的重要问题。为了找到合理适用的金属矿绿色开采评价方法，首先详细阐述了当前煤矿和金属矿等所使用的绿色开采评价方法及其适用情况，通过对比分析，得到5种适用于金属矿绿色开采评价的方法，分别是模糊综合评价法、可拓优度法、TOPSIS法、因子分析法和物元分析法；然后运用专家访谈法和灰色关联法，对以上5种评价方法进行了优先度排序。研究结果表明：TOPSIS法最适用于金属矿绿色开采评价，可以为今后的研究提供借鉴，能够为政府和企业提供管理建议。

关键词： 金属矿 ; 绿色开采 ; 权重 ; 评价方法 ; TOPSIS法 ; 灰色关联

Abstract

The development of resources has caused various environmental problems.The implementation of green mining is an effective way to solve the contradiction between economic growth and environmental crisis.In order to avoid the damage to the ecological environment in the process of mineral resources development，the green mining method are adopted in many mines to achieve the purpose of sustainable development.At present，the green mining of domestic mines is still in its infancy.How to evaluate the level of green mining of metal mines scientifically and effectively and determine the evaluation method of green mining is an important problem to be solved at present.The purpose of this paper is to find a reasonable and suitable method for evaluating the green mining of metal mine.Determining the weight of each evaluation index is an essential step in the process of green mining evaluation.First of all，the relevant literature was summarized.The advantages and disadvantages of the commonly used objective weighting，subjective weighting and combination weighting methods were analyzed.Among these weighting methods，the combination weighting method can not only objectively reflect the importance of each index，but also reflect the decision-maker’s subjective desire，and improve the scientific decision-making，which is recommended to use this weighting method in later research.Secondly，according to the existing research results and the characteristics of metal mining，the fuzzy comprehensive evaluation method，extension optimization method，TOPSIS method，factor analysis method，matter-element analysis method and other evaluation methods suitable for green mining of metal mines were summarized.The applicability，evaluation steps，advantages and disadvantages were elaborated in detail.Researchers can choose different evaluation methods according to specific evaluation objects and characteristics.In order to determine the most suitable evaluation method，the above five evaluation methods were prioritized by using expert interview method and grey correlation method.The results show that TOPSIS method has the advantages of no strict requirements for indicators，flexible application，simple mathematical calculation andquantitative objective.Compared with other four methods，TOPSIS method has the highest priority that is the most suitable for green mining evaluation of metal mines.The research results of this paper can provide reference for future research and management suggestions for the government and enterprises.

Keywords： metal mine ; green mining ; weight ; evaluation method ; TOPSIS method ; grey correlation

PDF (616KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

赵国彦, 邱菊, 赵源, 裴佃飞, 李洋, 吴攀. 金属矿绿色开采评价方法探讨[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(2): 169-175 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.132

ZHAO Guoyan, QIU Ju, ZHAO Yuan, PEI Dianfei, LI Yang, WU Pan. Discussion on Evaluation Method of Green Mining in Metal Mines[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(2): 169-175 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.132

在全国大力发展生态绿色产业的潮流中，金属矿也开始采用绿色开采理念，以达到可持续发展的目的。绿色开采概念最先由钱鸣高院士^[1]提出，学者们基于不同研究领域，对绿色开采的概念进行了拓展和丰富，在此，将金属矿绿色开采定义为金属矿山开采过程中采用先进工艺技术、管理方法和机械设备实现矿山生产的无废化、高利用、低排放和生态化。在金属矿绿色开采评价方面，刘建兴等^[2]针对金属矿山开采过程构建了绿色开采综合评价指标体系，并采用模糊综合评价法对矿山进行了实证研究。关于绿色矿山评价方面，付强等^[3]研究了绿色矿山标准对绿色开采的影响效果，运用DEA法对实施效果进行评价，研究发现效果良好；王杰民^[4]采用基于层次分析法的模糊分析方法对绿色矿山的评价体系进行深入研究，并开展了综合评价；梁灵鹏^[5]运用层次分析法对绿色矿山建设评价层次结构模型进行评价，结合专家意见得到了各基础指标的权重及指标测评值。然而，关于绿色开采的研究更多是针对煤矿绿色开采问题。例如：宋子岭等^[6]采用构建的数学模型对确定的基本指标进行量化处理与科学赋权，给出了露天煤矿“绿色度”指标值；缪海宾^[7]构建了大型露天煤矿的绿色指数评价体系，采用层次分析法和综合模糊数学评判法对评价体系进行评价。这些研究运用最多的是层次分析法和模糊综合评价法，对于金属矿及煤矿等绿色开采安全评价起到了重要的推动作用。综上所述，目前有关金属矿绿色开采评价的研究很少，评价方法也仅局限于单一的模糊综合评价法，因此，为了科学有效地评价金属矿绿色开采水平，找到一种适用且合理的评价方法至关重要。

本文通过对煤矿、金属矿等使用过的绿色开采评价方法以及其他相近行业运用过的评价方法进行总结和对比，以期找到更适合于金属矿绿色开采特点的评价方法，为金属矿的科学评价奠定基础。

1 金属矿绿色开采评价方法

金属矿绿色开采评价包括两部分内容：一是对金属矿绿色开采的指标进行赋值，权重的大小反映了该指标在体系中的重要程度；二是选用合适的评价方法，对整个体系进行评价，得到最终的评价结果。由于当前有关金属矿绿色开采评价方法的研究较为欠缺，可以借鉴矿山开采、煤矿开采以及其他相近行业的评价方法，对其加以理解和整理后运用在金属矿绿色开采评价方面。

1.1 评价指标权重研究

指标的权重通常反映了各指标在评价指标体系中所起作用的相对大小程度。常用的指标权重赋权方法是主观赋权法和客观赋权法。

客观赋权法是运用数学方法和逻辑关系对原始数据进行相关性分析得到指标的权重。客观赋权得到的指标权重不依赖于人的主观思维判断，具有较强的数学理论依据。常用的客观赋权法有熵权法^[8]、变异系数法^[9]和主成分分析法^[10]等。主观赋权法是根据研究人员的知识和经验等进行判断，从而确定各指标权重的方法，主要有层次分析法^[8]、专家打分法^[11]、G1法^[12]和超标倍数法^[13]等。

主观赋权法能够反映研究人员的知识经验和主观想法，但是也会受个人偏好的影响，使最终决策带有主观色彩；客观赋权法有比较强的数据理论支撑，但是比较依赖统计和数学等定量方法，且对评价指标的主观定性分析考虑很少。

针对主客观赋权法各自的优缺点，同时为了避免主观随意性，可以将主观赋权和客观赋权进行组合，即组合赋权法^[14]。作为主客观思想兼有的权重确定方法，组合赋权法既能客观地反映各指标的重要程度，又能反映决策者的主观愿望。在实际运用时，可以运用乘法加权法或线性加权法将几种权重赋值方法进行组合，以弥补各种方法的不足，提高决策的科学性。对常用的赋权方法进行对比分析，如表1所示。

表1 赋权方法优缺点对比

Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of weighting method

赋权方法	客观度	计算复杂度	优点	缺点
熵权法	客观	较为复杂	客观性强，较为精确，融合性强，可以与其他权重确定方法一起使用	计算较为复杂，遇到因素多、结构复杂的问题时适用性差，结果不准确
变异系数法	客观	较为简单	赋权结果具有很强的可区分度	没有考虑各赋权指标对于其紧邻的上级指标的重要程度，可论证性较差
主成分分析法	客观	较为简单	可以消除指标相互之间的影响，能利用计算机实现，减少计算的工作量	最后提取出的主成分必须有实际意义且有较高累计贡献率，对成分命名的清晰度较低
层次分析法	主观	较为复杂	可以将复杂的系统分解为具有层次的单目标问题，确定权重时需要的信息较少	当评价因素较多时，很难满足一致性要求，使得计算量很大
G1法	主观	较为简单	与层次分析法相比，不需要一致性检验，计算简化了很多，且评价因素较多时，计算量少且简便	主观性较强，结果不够精确
超标倍数法	主观	简单	根据其作用的大小分别赋予不同的权重，体现了超标因子的作用	主观性较强
组合赋权法	兼顾主客观	较为复杂	既能反映各指标的重要程度，又能反映决策者的主观愿望，提高了评价的科学性	需要先计算客观权重和主观权重，计算复杂

新窗口打开| 下载CSV

1.2 评价方法研究

在金属矿绿色开采评价过程中，评价方法的选取非常重要，需要根据指标特点、数据类型以及矿山实际等选择合适的评价模型。在我国，对金属矿绿色开采的评价研究刚刚起步，评价方法和模型并不多，在此可以借鉴其他行业的评价模型。

（1）模糊综合评价法。模糊综合评价法^[2]是以模糊数学为基础的一种综合性评价法，基本原理是运用模糊数学隶属度方法将定性评价转化为定量评价，进而对评价对象做出总体性评价。模糊综合评价将“隶属度”概念引入变量处理的过渡性问题，用精确逼近模糊，评价过程系统化，评价结果清晰化，在解决难以量化、非确定性问题上非常适合。目前模糊综合评价法广泛运用于地下水质条件评价、城市生态安全、遥感影像、滑坡危险性和矿山采空区评价等领域。

在金属矿绿色开采评价中，当评价指标体系包含很多定性指标时，如何处理这些定性指标是一项重要的工作。模糊综合评价采用两两比较的方式，通过设定最优化评价因素值，将最优化评价基准设定为1，其余评价因素通过与最优化评价因素对比之后，确定其评价值在0～1之间，实现了定性指标的定量化处理，可用于金属矿绿色开采评价。

模糊综合评价法基本步骤如下：①确定指标的评价因素集U；②确定评语集V；③确立模糊综合评价矩阵R；④生成结果向量矩阵；⑤计算满意度分数。

（2）可拓优度评价法。可拓优度法是在可拓学领域中对研究问题的优劣程度进行综合评价的一种实用方法^[15]。可拓优度法的优势在于其对评价体系没有任何限制和要求，不管是定量指标还是定性指标都很适用，而且不使用各评价指标的单位并不影响其结果，很好地解决了指标方法不相容的问题。关于定性指标定量化，可拓优度法通过引入关联函数定量说明元素具备某种性质的程度，从而达到解决定性指标问题的目的。可拓优度的评价过程不受人为因素的影响，评价结果真实可靠。该方法多用于安全评价和风险评价领域，在电力建设施工、矿井通风和绩效评估等方面也有运用。

金属矿绿色开采评价体系是一个多层次、复杂的评价体系，包括了定量指标和定性指标，且各指标的单位不相同。可拓优度法能够很好地解决上述问题，并且评价过程客观简单，评价结果真实可靠，可用于金属矿绿色开采评价。可拓优度评价法的基本过程如下：①确定评价指标；②确立经典域与节域；③确定待评物元；④根据距的定义，计算关联函数值；⑤评价指标权重的确定；⑥计算优度；⑦分析判断。

（3）TOPSIS法。TOPSIS法又称为接近理想点法^[16]，是一种根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法。TOPSIS法一开始先定义决策目标的最佳正负理想解，然后运用数学方法，在若干个可行方案中找到一个距离正理想解最近、距离负理想解最远的方案，这个方案就是最终要采用的方案，即通过考虑各方案与理想解之间的距离进行抉择。

金属矿绿色开采评价指标体系是典型的多层次、多属性体系，具有复杂性和综合性特点。TOPSIS法通过数学计算，能找出每一个候选方案和最优理想解的接近度，达到方案选择的目的，可用于金属矿绿色开采评价。TOPSIS法评判步骤为：①建立评价指标数据矩阵；②将矩阵标准化；③加权规范化处理；④计算正负理想解；⑤计算方案集到正负理想解之间的欧式距离；⑥计算方案集的贴近度。

（4）因子分析法。据文献［17］报道，因子分析的概念最早源于20世纪初Kard Pearon和Charles Spearmen等关于智力测验的统计分析。近年来，随着统计分析软件的普及，因子分析法已广泛应用于各个领域。因子分析法的基本原理^[18]是将众多具有一定相关性的变量通过数学方法提取少数的共性因子。核心思想是通过分析将相关性较强的因素归为一类，然后将这一类变量看作一个因子，因此在复杂系统中，可以通过因子分析达到减少因素的目的，用几个能反映研究系统信息的因子去描述系统的特征。在金属矿绿色开采评价中，运用因子分析法可以得到反映矿山绿色开采的代表性指标，严格控制这些指标，矿山将基本达到绿色开采。

因子分析法的主要步骤如下：①建立指标体系；②适应性检验；③建立因子载荷矩阵，计算各公共因子得分；④计算因子得分，进行排序。

（5）物元分析法。物元分析法^[19,20]是一种解决兼容性问题的方法。其研究对象是人们在生产生活中遇到的存在不相容的2个部分的矛盾问题，理论方法是依据物元可拓性进行物元变换。

运用物元分析法既能得到评价对象的综合评价等级，也能反映其稳定状态，同时还可以得到各评价指标的等级及其稳定状态，能够反映更全面的信息。将事物用“事物、特征、量值”3个因素来描述，构成一个有序三元组的基本元，研究其变化规律。与其他评价方法相比，物元分析法减少了对于指标量化的计算工作量。

金属矿绿色开采是一个比较复杂的物元系统，在对金属矿绿色开采进行评价时，数据获取存在一定难度，很难确定所有反映绿色开采的指标，只能通过选定的有限评价指标数据进行评价。

物元分析法的具体步骤为：①确定物元；②确定经典域及节域；③计算距与关联函数；④计算综合关联度。评价对象与哪个等级的关联度最大，其就隶属于哪个等级；关联度与哪个等级越靠近，其越易向哪个等级转化。

（6）其他方法。除了上述方法，还有其他可用于金属矿绿色开采评价的方法，如聚类法^[21]和DEA模型法^[2]等。每种评价方法都有各自的优缺点，关键要结合评价对象的具体情况，使得评价结果尽量符合实际情况。

2 评价方法优先度排序

表2列出了各评价方法的优缺点，这些方法均可作为金属矿绿色开采的评价方法。为了优选出更加合理且适用的金属矿绿色开采评价方法，采用灰色关联法对这些方法进行分析，得到评价方法的排序情况。

表2 评价方法优缺点对比

Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of evaluation methods

评价方法	客观度	计算复杂度	优点	缺点
模糊综合评价法	偏向主观	较为复杂	能够考虑到多种因素	不能体现出评价指标对2个不同等级绩效水平之间的差异，计算复杂
可拓优度法	客观	一般	适用于任何评价体系，评价过程无需人工干预；很好地考虑了系统量变和质变的过程	指标权重的确定主观性较强
TOPSIS法	客观	较为简单	对指标无严格要求，应用灵活，数学计算较简单，结果量化客观	求规范决策矩阵时比较复杂，不易求出正、负理想解
因子分析法	客观	较为简单	可以对数据进行简化，解释性好，命名清晰性高	在因子得分计算时，采用的是最小二乘法，此法有时会失效
物元分析法	客观	一般	减少了较少定量指标量化的计算工作量	确定“元”较为困难

新窗口打开| 下载CSV

灰色关联分析法^[22]可以在数据和资料均有限的情况下，比较准确地找出各参考因素之间的关联性，即灰色关联度。关联度越大，表明子因素对参考因素的影响越显著，相关性越强；反之则关联性越弱。

假设评价对象有m个，评价指标有n个，参考序列X₀可表示为

X_{0} = \{x_{0} (k)| k = 1,2, \dots, n\}

（1）

式中：k、x₀（k）分别为参考序列的个数和参考序列中的第k个值。那么比较序列X_i可表示为

X_{i} = \{x_{i} (k)| k = 1,2, \dots, n; i = 1,2, \dots, m\}

（2）

式中：x_i（k）为比较序列中的第k个值。

则 $x_{i}$ 与 $x_{0}$ 在k时刻的关联系数 $ξ_{i}$ (k)为

ξ_{i} (k) = \frac{\underset{i = 1,2, \dots, m}{m i n} \underset{k = 1,2, \dots, n}{m i n} |x_{0} (k) - x_{i} (k)| + ρ \underset{i = 1,2, \dots, m}{m a x} \underset{k = 1,2, \dots, n}{m a x} |x_{0} (k) - x_{i} (k)|}{|x_{0} (k) - x_{i} (k)| + ρ \underset{i = 1,2, \dots, m}{m a x} \underset{k = 1,2, \dots, n}{m a x} |x_{0} (k) - x_{i} (k)|}

（3）

式中： $\underset{i = 1,2, \dots, m}{m i n} \underset{k = 1,2, \dots, n}{m i n} |x_{0} (k) - x_{i} (k)|$ 为两序列最小差绝对值； $\underset{i = 1,2, \dots, m}{m a x} \underset{k = 1,2, \dots, n}{m a x} |x_{0} (k) - x_{i} (k)|$ 为两序列最大差绝对值；ρ为关联系数分辨系数，取值范围为（0，1）。

参考序列 $x_{0}$ 对比较序列的灰色关联度 $γ_{i}$ 为

γ_{i} = γ (x_{0}, x_{i}) = \frac{1}{n} \overset{n}{\sum_{k = 1}} ξ_{i} (k)

（4）

计算出每个影响因素的关联度之后，按从大到小进行排序。

采用专家访谈法，选取9位经验丰富的金属矿开采专家，结合表2中各评价方法的优缺点，对5种评价方法按照适用性进行打分，分值范围为1~9分，分值越高表明该方法越适用于金属矿绿色开采评价，打分结果如表3所示。

表3 专家打分结果

Table 3 Expert scoring results

评价方法	专家序号及分值
评价方法	1	2	3	4	5	6	7	8	9
模糊综合评价法	5	7	8	4	7	5	5	6	7
可拓优度法	5	4	5	3	4	6	6	4	6
TOPSIS法	5	8	4	7	5	8	5	6	7
因子分析法	7	4	6	4	6	7	8	7	6
物元分析法	8	2	3	4	4	6	4	5	7

新窗口打开| 下载CSV

可以看出，专家对物元分析法的适用性评价不一，分值差异较大；对模糊综合评价法、TOPSIS法和因子分析法的打分结果虽然有差异，但分值普遍较高；对可拓优度法的认同不高，和其他4种方法相比其分值偏低。

取关联系数分辨系数为ρ=0.5，由式（1）～式（3）得到关联系数矩阵为

A = (\begin{matrix} 0.5000 & 0.7500 & 1.0000 & \begin{matrix} \begin{matrix} 0.4667 & 1.0000 \end{matrix} & 0.5000 & 0.5000 & \begin{matrix} 0.7241 & 1.0000 \end{matrix} \end{matrix} \\ 0.5000 & 0.4286 & 0.5000 & \begin{matrix} \begin{matrix} 0.3962 & 0.4667 \end{matrix} & 0.6000 & 0.6000 & \begin{matrix} 0.4667 & 0.7241 \end{matrix} \end{matrix} \\ 0.5000 & 1.0000 & 0.4286 & \begin{matrix} \begin{matrix} 1.0000 & 0.5676 \end{matrix} & 1.0000 & 0.5000 & \begin{matrix} 0.7241 & 1.0000 \end{matrix} \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0.7500 \\ 1.0000 \end{matrix} & \begin{matrix} 0.4286 \\ 0.3333 \end{matrix} & \begin{matrix} 0.6000 \\ 0.3750 \end{matrix} & \begin{matrix} \begin{matrix} \begin{matrix} 0.4667 \\ 0.4667 \end{matrix} & \begin{matrix} 0.7241 \\ 0.4667 \end{matrix} \end{matrix} & \begin{matrix} 0.7500 \\ 0.6000 \end{matrix} & \begin{matrix} 1.0000 \\ 0.4286 \end{matrix} & \begin{matrix} \begin{matrix} 1.0000 & 0.7241 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0.5676 & 1.0000 \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix})

（5）

由式（4）计算可得，上述5种方法的灰色关联度为（0.7400，0.5400，0.7700，0.7200，0.6200），可以得到评价方法的优先顺序依次为TOPSIS法、模糊综合评价法、因子分析法、物元分析法和可拓优度法。TOPSIS法对指标无严格要求，应用灵活，数学计算比较简单，结果量化客观，在金属矿绿色开采评价中的应用效果较好。

3 结论

（1）通过分析相关文献总结了金属矿绿色开采评价的方法，包括指标权重方法和评价方法两大方面。在指标权重方面，对常用的客观赋权法、主观赋权法和综合赋权法进行了阐述，分析其优缺点；在评价方法方面，较详细地阐述了模糊综合评价法、可拓优度法、TOPSIS法、因子分析法和物元分析法的适用性、评价步骤以及优缺点。

（2）运用专家访谈法和灰色关联法对上述5种方法进行优先排序，得到优先排序依次为TOPSIS法、模糊综合评价法、因子分析法、物元分析法和可拓优度法，表明5种方法中TOPSIS法最适用于金属矿绿色开采评价。

（3）本文只选取了5种运用较多的评价方法进行了分析和对比，研究对象的范围有限，今后可以选取更多的方法进行分析，以便找到更适合金属矿绿色开采评价的方法。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

钱鸣高

绿色开采的概念与技术体系

[J].煤炭科技，2003（4）：1-3.